PN-Übergangsdioden nutzen die Eigenschaften des zwischen p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien gebildeten Übergangs. Wenn diese Materialien zusammengebracht werden, diffundieren Elektronen aus der n-Typ-Region (die einen Überschuss an Elektronen aufweist) in die p-Typ-Region (die einen Überschuss an Löchern aufweist). Diese Bewegung erzeugt einen Verarmungsbereich um den Übergang herum, in dem keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Das in diesem Bereich gebildete elektrische Feld wirkt einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegen und stellt ein Gleichgewicht her. Bei Vorspannung in Durchlassrichtung (positive Spannung auf der p-Seite) wird die Barriere reduziert, sodass Strom fließen kann. Bei Sperrvorspannung (positive Spannung auf der n-Seite) erhöht sich die Barriere und verhindert so den Stromfluss.
Das Funktionsprinzip einer Diode basiert auf dem gerichteten Stromfluss. Eine Diode lässt den Strom in eine Richtung (Vorwärtsrichtung) fließen, während sie ihn in die entgegengesetzte Richtung (Rückwärtsrichtung) blockiert. Dies ist auf die Bildung der Verarmungsregion am PN-Übergang zurückzuführen, die als Barriere für die Ladungsträgerbewegung fungiert. Bei Vorwärtsspannung reduziert die externe Spannung die Barriere und ermöglicht so den Stromfluss. Bei Sperrvorspannung wird die Barriere verstärkt und der Strom blockiert, mit Ausnahme eines kleinen Leckstroms aufgrund von Minoritätsträgern.
Ein PN-Gleichrichter wandelt Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um. Während der positiven Halbwelle des Wechselstromeingangs ist der PN-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass Strom durch die Diode fließen kann. Während der negativen Halbwelle ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt und blockiert so den Stromfluss. Dieser Prozess führt zur Gleichrichtung von Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom. In einem Vollweggleichrichter werden mehrere Dioden verwendet, um beide Hälften des Wechselstromzyklus gleichzurichten und so einen konstanteren Gleichstromausgang zu gewährleisten.
Der PN-Übergang ermöglicht die Funktion einer Diode, indem er einen Verarmungsbereich schafft, der den Ladungsträgerfluss steuert. Bei Vorwärtsspannung verringert die angelegte externe Spannung die Breite des Verarmungsbereichs, wodurch Elektronen und Löcher rekombinieren und Strom fließen können. Bei Sperrvorspannung weitet sich der Verarmungsbereich aus, wodurch verhindert wird, dass Ladungsträger den Übergang überqueren, wodurch der Stromfluss blockiert wird. Diese Richtungssteuerung des Stroms ist das grundlegende Funktionsprinzip der Diode.
Im nicht vorgespannten Zustand zeichnet sich eine PN-Übergangsdiode durch das Vorhandensein einer Verarmungszone am Übergang aus. Ohne angelegte externe Spannung verhindert das elektrische Feld innerhalb der Verarmungszone die freie Bewegung von Ladungsträgern über den Übergang. Elektronen im n-Typ-Bereich und Löcher im p-Typ-Bereich bleiben in ihren jeweiligen Bereichen und halten das Gleichgewicht aufrecht. In diesem Zustand leitet die Diode keinen nennenswerten Strom, da das interne elektrische Feld des Verarmungsbereichs die Diffusion der Ladungsträger ausgleicht.